基于穩(wěn)定性力學模型的尋線式挖掘機作業(yè)性能參數(shù)優(yōu)化

基于穩(wěn)定性力學模型的尋線式挖掘機作業(yè)性能參數(shù)優(yōu)化

步行式挖掘機是一種多自由度結構的系統(tǒng)，其底板結構具有12個自由度。您可以執(zhí)行各種空間復合操作，以對復雜地形的良好適應性和機動性。這種獨特的水下結構和收縮操作裝置的組合可以執(zhí)行步行式挖掘機的故障、溝、水、邊坡、步行、采礦、攀爬和懸掛。挖掘機的最大作業(yè)參數(shù)通常指最大挖掘高度、最大挖掘半徑和最大挖掘深度,在確定步行式挖掘機最大作業(yè)范圍參數(shù)的過程中,主要有兩種方法,一種是利用試驗的方法,由于該機械是一種多自由度系統(tǒng),根據(jù)經(jīng)驗很難調整到機械的某一最大狀態(tài),并且在調整的狀態(tài)下不能保證整機的穩(wěn)定性.另一種方法是通過理論分析的方法,在利用該方法的過程中主要遇到以下兩個問題:第一,步行式挖掘機作業(yè)裝置與底盤分別具有5個(包括回轉自由度)和12個自由度,機械的機構系統(tǒng)的分析比較復雜;第二,在機械處于某一個伸展最大狀態(tài)下,能否確定為機械的最大作業(yè)范圍參數(shù),能否確保充分發(fā)揮機械的最大挖掘力,并且整機在此狀態(tài)下確保穩(wěn)定作業(yè),這也是人們最關心的問題.為此,筆者建立了整機的運動學模型和穩(wěn)定性力學模型,提出了一種求解步行式挖掘機最大作業(yè)范圍及其最大挖掘力參數(shù)的優(yōu)化模型,并對其求解,最后,對計算結果進行了分析.1該算法的運動學和穩(wěn)定學模型1.1步行式挖掘深度的確定以步行式挖掘機回轉支承面與回轉軸的交點為原點,挖掘機的縱平面與橫平面的交線為y軸,以支承面與縱平面的交線為x軸,建立坐標系,如圖1所示.在作業(yè)裝置中,a1為工作裝置到y(tǒng)軸的距離,b1為工作裝置到x軸的距離,li(i=1,2,3,4)為工作裝置各關節(jié)長度尺寸,lx伸縮臂的長度尺寸,α1為動臂與軸x的夾角,當動臂位于過C點的水平線以上時α1為正,αi(i=2,3)為動臂與伸縮臂、伸縮臂與鏟斗間的夾角.在底盤中,a2,a3分別為步行腿后鉸點、前鉸點到y(tǒng)軸的距離,b2為步行腿鉸點到x軸的距離,b3為底盤底平面距軸的距離,di(i=1,2,3)為步行腿關節(jié)的長度尺寸,βi(i=1,2)為后腿關節(jié)、前腿關節(jié)與x軸的夾角,當后腿關節(jié)處于前后鉸節(jié)連線的上方時β1為正,當前腿關節(jié)處于前后鉸節(jié)連線的上方時β2為正,β3為前腿關節(jié)與前臂關節(jié)間的夾角,θ為動臂彎曲處的夾角,r為后輪半徑.設點A,B,D坐標分別為(xA,yA),(xB,yB),(xD,yD)有規(guī)定步行式挖掘機的作業(yè)高度為步行式挖掘機步行腿各關節(jié)在水平地面上經(jīng)空間任意變換、工作裝置在回轉平臺上方伸展后,鏟斗斗齒離地面的高度.得到作業(yè)高度H1為規(guī)定步行式挖掘機的挖掘深度為步行式挖掘機在水平地面下方進行挖掘作業(yè)時,鏟斗斗齒離底盤下端面的距離,挖掘深度H2為規(guī)定步行式挖掘機的挖掘半徑為步行式挖掘機在正前方進行挖掘作業(yè)時,挖斗斗齒距過回轉軸心且垂直于正前方所在平面的距離,挖掘深度H3為1.2步行式起重機穩(wěn)定性方程挖掘機在最大作業(yè)范圍時的穩(wěn)定性條件是充分發(fā)揮一定挖掘力時的作業(yè)狀態(tài),因此,在對步行式挖掘機進行最大作業(yè)范圍參數(shù)求解的過程中,必須對其相應的發(fā)揮挖掘力參數(shù)進行分析,尋求步行式挖掘機在滿足穩(wěn)定作業(yè)條件下的最大挖掘范圍參數(shù).設步行式挖掘機后輪、前腿所受正壓力分別為NA,NB,前腿所受水平方的力為FA,挖掘機所受挖掘力(本文是以斗桿油缸控制為鏟斗動力控制源)為FD,步行式挖掘機重力為G,重心距軸心水平距離為n,則挖掘力在水平及垂直方向的分力分別為于是有步行式挖掘機靜力學穩(wěn)定性方程聯(lián)立方程(4)～(6)求解,則有步行式挖掘機穩(wěn)定性約束條件為且有l(wèi)x∈R3,FD∈R4,其中為αi取值范圍,為βj取值范圍,R3為lx的取值范圍,R4為FD的取值范圍,i=1,2,3,j=1,2,3.2優(yōu)化解決方案和結果分析2.1優(yōu)化模型根據(jù)步行式挖掘機的運動學方程(1)～(3)和整機的穩(wěn)定性方程(7),(8),可得到最大挖掘高度H1max的優(yōu)化模型為式中:為αt取值范圍;為βj取值范圍;R3為lx的取值范圍;且有i=1,2,3,j=1,2,3最大挖掘深度H2max的優(yōu)化模型為式中:為αi取值范圍;R3為lx的取值范圍;且有i=1,2,3.最大挖掘半徑H3max的優(yōu)化模型為式中:為αi取值范圍;R3為lx的取值范圍;i=1,2,3.本文采用網(wǎng)格法對式(9)～(11)進行優(yōu)化求解.2.2步行式起重機最佳挖掘力計算方法計算時,已知步行式挖掘機各關節(jié)位置參數(shù)及變化范圍分別為:a1=0.49m,a2=0.54m,a3=0.9535m,b1=0.63m,b2=0.437m,b3=0.61m,d1=1.64m,d2=1.045m,d3=0.752m,r=0.6425m,l1=1.2395m,l2=1.675m,l3=0.4315m,l4=1.36m,lx∈[2.97,4.38]m,α1∈[-32.4°,64°],α2∈[139°,252°],α3∈[18°,179°],β1∈[-20°,44°],β2∈[-21°,51°],β3∈[120°,176°],θ=141°,G=130kN,n=0.2m.計算結果如表1～表3所示.從表1中可知,當挖掘機處于最大挖掘高度6.217m狀態(tài)時,發(fā)揮的最大挖掘力為FD≤40kN,此時整機工作裝置、步行腿各關節(jié)均伸展到極限位置;當挖掘力FD>40kN時,步行式挖掘機的最大挖掘高度則隨著挖掘力的增大而減小,且整機的鏟斗隨著挖掘力的增大而逐漸收縮而其他關節(jié)則均伸展到極點.從表2中可知,步行式挖掘機的最大挖掘深度為6.741m,并且挖掘深度與挖掘力大小無關,此時動臂收縮到最低而其他工作裝置則伸展到最長.由于步行式挖掘機的挖掘深度是定義為與支腿無關的表達式,因而表中的支腿角度參數(shù)只是一組能使整機在最大挖掘深度狀態(tài)下確保穩(wěn)定性作業(yè)的支腿狀態(tài)參數(shù).從表3中可知,步行式挖掘機處于最大挖掘半徑8.539m時,發(fā)揮最大挖掘力范圍為FD≤45kN,此時整機工作裝置(動臂除外)均伸展到極點;當挖掘力FD>45kN時,步行式挖掘機的最大挖掘半徑則隨著挖掘力的增大而減小,而斗桿和伸縮臂則均伸展到最大狀態(tài).由于步行挖掘機的挖掘半徑是定義為與支腿無關的表達式,因而表中的支腿角度參數(shù)只是一組能夠使整機在最大挖掘半徑狀態(tài)下確保穩(wěn)定性作業(yè)的支腿狀態(tài)參數(shù).由上述分析可知,步行式挖掘機三種最大挖掘的共同點是:在這三種最大作業(yè)狀態(tài)下,整機的斗桿、伸縮臂均伸展到最大長度,且始終存在能夠使支腿的狀態(tài)參數(shù)保持一致的角度參數(shù),這說明,在這三種挖掘狀態(tài)下進行最大挖掘作業(yè)時,支腿位置參數(shù)調整至表1～3中的參數(shù)值后,只需變換工作裝置的狀態(tài)參數(shù)即可滿足作業(yè)穩(wěn)定性作業(yè)要求.不同點是:挖掘最大挖掘高度、最大挖掘半徑與挖掘力的大小有關,并且在挖掘力最大范圍內,當挖掘力增大到一定程度時,會隨著挖掘力的增大而減小,而步行式挖掘機的最大挖掘深度則與挖掘力的大小無關.3優(yōu)化結果分析針對求解步行式挖掘機最大作業(yè)范圍參數(shù)問題,建立了整機的運動學模型和穩(wěn)定性力學模型,提出了一種求解步行式挖掘機最大作業(yè)范圍及其最大挖掘力參數(shù)的優(yōu)化模型.采用了網(wǎng)格法對其進行了優(yōu)化求解.計算結果表明,受整機穩(wěn)定性條件影響,最大